способ демпфирования колебаний и вихревой гидравлический амортизатор

Формула изобретения

1. Способ демпфирования колебаний, заключающийся в поглощении энергии путем создания вихревого потока жидкости, с последующим дросселированием потока жидкости через отверстия и рассеиванием выделяемой потоком жидкости тепловой энергии, отличающийся тем, что поток жидкости создают в замкнутом объеме движением жидкости по криволинейной траектории путем тангенциального подвода жидкости к указанной криволинейной траектории и регулируют гидравлическое сопротивление, направляя дополнительный ламинарный корректирующий поток жидкости под углом к тангенциальному потоку жидкости в зависимости от перепада давлений между областями высокого и низкого давлений и вязкости рабочей жидкости, а соотношение расходов в тангенциальном и корректирующем потоках выражается соотношением



где

Q_танг - расход тангенциального потока;

Q^лам_кор - расход корректирующего потока.

2. Вихревой гидравлический амортизатор, содержащий корпус, заполненный жидкостью, внутри которого размещен шток с установленным на нем поршнем с уплотнением, вихревую камеру и сопряженный с ней тангенциальный канал с входной полостью, отличающийся тем, что вихревая камера расположена асимметрично на периферийной части поршня, выполнена в виде замкнутого объема с выходным отверстием в ее донной части и снабжена дополнительным корректирующим каналом, сообщающимся с входной полостью тангенциального канала, и при этом ось корректирующего канала направлена к центру указанного выходного отверстия.

3. Амортизатор по п. 2, отличающийся тем, что вихревая камера включает в себя смежные вихревую камеру сжатия и вихревую камеру отбоя, сообщенные между собой общим выходным отверстием.

4. Амортизатор по п. 2, отличающийся тем, что вихревая камера выполнена цилиндрической с осью, параллельной оси поршня, тангенциальный канал выполнен в поршне по касательной к ее цилиндрической поверхности, а корректирующий - перпендикулярно ей.

5. Амортизатор по п. 2, отличающийся тем, что корректирующий канал выполнен в виде отверстий в верхней части вихревой камеры.

6. Амортизатор по п. 2, отличающийся тем, что выходное отверстие вихревой камеры расположено эксцентрично оси последней.

7. Амортизатор по п. 2, отличающийся тем, что корректирующий канал снабжен вихревой предкамерой.

8. Амортизатор по п. 2, отличающийся тем, что тангенциальный канал снабжен вихревой предкамерой.

9. Амортизатор по п. 2, отличающийся тем, что в теле поршня параллельно оси вихревой камеры выполнены капиллярные отверстия линейных дросселей.

10. Амортизатор по п. 2, отличающийся тем, что зазор между уплотнением поршня и телом поршня сообщен с вихревой камерой посредством отверстий.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам демпфирования механических колебаний в подвесках транспортных средств и может быть использовано для создания демпфирующих элементов их систем подрессоривания.

Известен способ демпфирования колебаний путем дросселирования жидкости под давлением через линейные дроссели [1].

Недостаток этого способа в том, что при дросселировании невозможно получить характеристики амортизатора, отличные от прямолинейных.

Известен способ демпфирования, использующий, кроме дросселирования, рассеивание энергии в вихревом потоке жидкости [2,3,4]. Этот способ позволяет получить прогрессивную квадратичную, наиболее комфортную характеристику амортизатора.

Причем характеристики, получаемые с помощью этого способа, отличаются более стабильными показателями при изменении температуры жидкости и ее вязкости, чем у вышеупомянутого. Однако этот способ не позволяет получить дегрессивные характеристики с резко увеличенным расходом на больших скоростях.

Задача, решаемая предлагаемым способом, - возможность получения любых характеристик амортизатора.

Известен амортизатор - демпфер с вихревым потоком жидкости в вихревых камерах в поршне [2] . Конструкция содержит две вихревые камеры. В первой вихревой камере создается вихревой поток жидкости и демпфирующая сила во время хода расширения, а во второй - во время хода сжатия.

Первый перепускной клапан, реагирующий на перепад давлений между надпоршневым и подпоршневым пространствами, превосходящий заданную величину, направляет поток через поршень, минуя первую вихревую камеру, а второй перепускной клапан направляет жидкость, минуя вторую вихревую камеру при превышении заданного давления при обратном ходе поршня.

Недостаток данного устройства в неточности регулирования допустимого перепада давления пружинными перепускными клапанами и в сложности конструкции устройства.

Известен гидравлический амортизатор с вихревым клапаном, в котором перечисленные недостатки уменьшены [3]. Он состоит из цилиндрического корпуса, внутри которого установлен поршень на штоке. В нижней части поршня выполнено выходное отверстие из вихревой камеры, в боковых стенках которой находятся тангенциальные входные отверстия, создающие вихревой поток жидкости.

Недостаток последней конструкции в сложности выполнения тангенциальных каналов и выдерживания требуемых характеристик амортизатора.

Известен гидравлический амортизатор, содержащий корпус, заполненный рабочей средой, шток с поршнем, снабженным вихревыми камерами, который, благодаря определенному соотношению геометрических размеров вихревых камер к размерам поршня, позволяет улучшить его эксплуатационные возможности за счет расширения диапазона изменения коэффициента демпфирования [4].

По своей технической сути последнее изобретение может служить прототипом предлагаемому решению.

Задачей, решаемой изобретением, является возможность получения любых требуемых характеристик путем измельчения расходов различных потоков, варьированием формой и объемом вихревых камер, улучшением условий работы нагруженных узлов, камер, упрощением технологии изготовления устройства.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом устройстве реализуется новый способ демпфирования колебаний, заключающийся в поглощении энергии путем создания вихревого потока в замкнутом объеме, сопротивление которого регулируют, направляя дополнительный корректирующий поток под углом к тангенциальному в зависимости от перепада давлений между областями высокого и низкого давлений и вязкости жидкости в определенной пропорции.

Соотношение расходов в тангенциальном и корректирующем потоках выражается соотношением



где Q_танг - расход тангенциального потока;

Q^лам_кор - расход корректирующего потока.

Указанный способ реализуется с помощью предлагаемой конструкции вихревого гидравлического амортизатора, содержащего корпус, заполненный жидкостью, шток, поршень с уплотнением, снабженный по крайней мере одной вихревой камерой, имеющей тангенциальный канал с входной полостью, причем вихревая камера расположена асимметрично на периферийной части поршня и выполнена в виде замкнутого объема, например цилиндрического, с выходным отверстием в донной части. При этом она снабжена дополнительным корректирующим каналом, ось которого направлена к центру выходного отверстия вихревой камеры и соответственно перпендикулярно потоку жидкости, образованному тангенциальным каналом в вихревой камере.

При этом корректирующий канал выполнен в виде отверстия в стенке вихревой камеры. Выходное отверстие может быть расположено эксцентрично оси последней, а тангенциальный и корректирующий каналы могут быть снабжены дополнительными вихревыми камерами (предкамерами). Допускается также выполнение параллельных отверстий линейных дросселей. Конструкция предусматривает выполнение отверстий, соединяющих объем вихревой камеры с зазором между телом поршня и уплотнением. Вихревые камеры, работающие на сжатие и отбой, могут быть выполнены смежными с общим выходным отверстием.

На фиг. 1 изображена конструкция предлагаемого вихревого амортизатора, на фиг. 2 - его вид Б, фиг. 3 иллюстрирует схему движения жидкости в каналах и вихревой камере, на фиг. 4 показаны дополнительные предкамеры. На фиг. 5 представлены характеристики работы предлагаемой конструкции, полученные в результате эксперимента. Прямая 1 - характеристика P = f(Q) для обычного линейного дросселя, кривая 2 - характеристика P = f(Q²) вихревого амортизатора. Кривая 3 иллюстрирует работу предлагаемого амортизатора, а кривая 4 показывает влияние дополнительных предкамер.

Амортизатор состоит из цилиндрического корпуса 1, внутри которого находится шток 2 с установленным на нем поршнем 3, снабженным вихревыми камерами 4, расположенными асимметрично по периферийной части поршня 3. Они имеют тангенциальный канал 5 с входной полостью 6 и дополнительный корректирующий канал 7, ось которого направлена к центру выходного отверстия 8, которое может быть выполнено эксцентрично объему камер 4, верхняя часть которых снабжена съемными крышками 9 с отверстиями входной полости 6. Тангенциальный 5 и корректирующий 7 каналы каждый по отдельности или оба вместе могут быть снабжены дополнительными предкамерами 10 и 11 соответственно (фиг. 4). Поршень снабжен уплотнениями 12. Камера 4 соединена с зазором между телом поршня 3 и уплотнением 12 отверстиями 13 (фиг. 2). В поршне 3 выполнены линейные дроссели 14.

При этом вихревые камеры 4 могут располагаться на поршне как со стороны штока (камера отбоя), так и с противоположной стороны (камера сжатия) (фиг. 1). При этом обе вихревые камеры выполнены смежными и соединены общим выходным отверстием 8.

Амортизатор реализует заявленный способ следующим образом. При движении поршня 3, например, вверх над ним образуется область высокого давления (фиг. 1). Жидкость через входную полость 6 и тангенциальный канал 5 устремляется в вихревую камеру 4, вдоль ее стенок, создавая тангенциальный поток, который, закручиваясь, образует вихрь, удаляемый в выходное отверстие 8 в донной части вихревой камеры 4. При этом сопротивление движению поршня имеет квадратичную зависимость от расхода (кривая 2, фиг. 5), а энергия, затрачиваемая на образование вихря, рассеивается в пространстве и через стенки корпуса 1 удаляется наружу. Асимметричное периферийное расположение вихревой камеры 4 и соединение ее с зазором между телом поршня и уплотнением 12 способствует лучшей теплопередаче. Однако для коррекции характеристики требуется иногда изменить течение потока, образованного тангенциальным каналом. В этом случае его расход регулируют, направляя дополнительный корректирующий поток поперек тангенциальному по корректирующему каналу 7 в зависимости от перепада давлений между областями высокого и низкого давлений и вязкости рабочей жидкости (фиг. 3). При этом тангенциальный поток с расходом Q_танг имеет квадратичное или близкое к нему сопротивление. Ламинарный корректирующий проток с расходом Q^лам_кор имеет линейное сопротивление. Это обеспечивается формой каналов и конструкцией вихревой камеры. Это объясняется трудностью отрыва тангенциального потока от стенок вихревой камеры 4 при недостаточном расходе корректирующего потока. Однако по мере роста его производительности его влияние на тангенциальный поток увеличивается и при определенном соотношении происходит отрыв тангенциального потока от стенок и направление его непосредственно в выходное отверстие. Этот срыв вихря сопровождается резким снижением сопротивления движению жидкости (кривая 3, фиг. 5) и определяется соотношением



Следует иметь в виду, что точность регулирования зависит от степени турбулентности реальных потоков. Поэтому максимальная точность будет тогда, когда корректирующий поток будет строго ламинарен, а тангенциальный турбулентен.

Сочетанием геометрических параметров предкамер 10 и 11 можно добиться любой требуемой характеристики, например кривая 4, фиг. 5. Это достигается тем, то вихревые камеры имеют квадратичную зависимость, которая более стабильна от вязкости, чем дроссельные каналы с прямолинейной зависимостью. Сочетая обе характеристики, получают общую стабильную характеристику в широком диапазоне режимов работы амортизатора.

Проведенные теоретические и практические исследования подтвердили достоверность и целесообразность предложенного способа и устройства для демпфирования колебаний транспортных средств.

Предложенный способ и устройство при испытаниях опытных образцов амортизаторов полностью подтвердили все заявленные преимущества.

Автором разработан метод расчета предлагаемых амортизаторов.

Список использованной литературы

1. Нагорный В. С., Денисов А.А. Устройство автоматики гидро- и пневмосистем. -М.: Высшая школа, 1991.

2. Патент США N 4515252, 1985. Демпфер с вихревым потоком у поршней.

3. Патент Великобритании N 2044882, 1980. Гидравлический демпфер с вихревым клапаном.

4. Патент России N 1746903, 1992. Гидравлический амортизатор (прототип).